Triển khai cụm chức năng mạng tin cậy tối ưu về tài nguyên trong mạng cloud phân tán

Bài viết Triển khai cụm chức năng mạng tin cậy tối ưu về tài nguyên trong mạng cloud phân tán đề xuất một mô hình tối ưu nhằm triển khai những cụm VNF tin cậy trên những hệ thống đám mây phân tán. Mô hình sẽ giúp triển khai những cụm VNF tin cậy một cách tối ưu nhất về mặt tài nguyên sử dụng ở đây là tài nguyên băng thông mạng đồng thời cũng đảm bảo giá trị mức độ tin cậy của những cụm VNF này luôn thỏa mãn mức tin cậy chấp nhận được.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 TRIỂN KHAI CỤM CHỨC NĂNG MẠNG TIN CẬY TỐI ƯU VỀ TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG CLOUD PHÂN TÁN Đỗ Trường Xuân1, Nguyễn Thị Phương Thảo1, Nguyễn Hằng Phương1 Trường Đại học Thủy lợi, email: xuandt@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Ảo hóa chức mạng (network function virtualization) [1] cho phép triển khai chức mạng dạng ảo hóa (virtual network function, VNF) cách nhanh chóng dễ dàng hệ thống máy chủ đám mây phân tán nhiều vị trí địa lý khác Trong lĩnh vực viễn thông, VNF cần đảm bảo hoạt động với độ tin cậy cao Để đảm bảo độ tin cậy vận hành, việc nâng cao mức độ tin cậy thành phần mạng hệ thống server, thiết bị switch, phần mềm VNF, nguồn điện hệ thống cloud Một cách để đảm bảo độ tin cậy triển khai VNF sử dụng mơ hình cụm chức tin cậy (availability cluster) hệ thống cloud phân tán Mơ hình cụm chức tin cậy bao gồm việc triển khai VNF hoạt động chế độ active VNF hoạt động chế độ standby [2] Những VNF standby bảo vệ hoạt động chức VNF active xảy cố điện hay thảm họa khu vực triển khai Việc cấu hình số lượng active standby cụm VNF tin cậy yêu cầu mức độ tin cậy (availability level) quy định nhà mạng Do cụm VNF tin cậy có yêu cầu tài nguyên băng thơng tài ngun tính tốn khác Việc triển khai cụm VNF tin cậy hệ thống đám mây phân tán cần thực cách tối ưu nhằm đảm bảo tối ưu hóa tài nguyên mạng sử dụng bao gồm băng thông mạng tài ngun tính tốn đồng thời phải thỏa mãn u cầu đặt mức độ tin cậy cho cụm VNF triển khai hệ thống đám mây phân tán Triển khai Trung tâm cloud Hanoi Trung tâm cloud Đà Nẵng Trung tâm cloud Đà Nẵng Trung tâm cloud HCM Hình Triển khai cụm VNF tin cậy Trong báo, tác giả đề xuất mô hình tối ưu nhằm triển khai cụm VNF tin cậy hệ thống đám mây phân tán Mô hình giúp triển khai cụm VNF tin cậy cách tối ưu mặt tài nguyên sử dụng tài nguyên băng thông mạng đồng thời đảm bảo giá trị mức độ tin cậy cụm VNF thỏa mãn mức tin cậy chấp nhận Để giải toán tối ưu đặt ra, thuật toán heuristic đề xuất Bằng mơ phỏng, thuật tốn đề xuất cho kết tối ưu mặt băng thông mạng sử dụng đồng thời trì mức độ tin cậy trung bình cho cụm chức tin cậy mức chấp nhận PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Mỗi cụm VNF có yêu cầu tài nguyên mạng, tài ngun tính tốn, mức độ uptime riêng Chúng ta có hai mơ hình cụm VNF tin cậy: active nhiều standby, nhiều active standby Giả sử RCa ,RCs ,RBl tài ngun tính tốn 131 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 yêu cầu VNF active a , standby s , tài nguyên băng thông mạng yêu cầu đường kết nối l hai VNF active standby NAr ,NSr số lượng chức active standby yêu cầu cụm chức r Tài ngun u cầu mơ hình active nhiều standby RCa  RC [1] RCs  RC RBl  RB Tài nguyên yêu cầu mơ hình nhiều active standby: RCa  RC RCs   RC [2] aNAr RBl  RB Giả sử An , Ad , A f , ALs mức độ tin cậy trung tâm cloud, server, VNF, đường kết nối active standby Những giá trị độ tin cậy thu nhờ trình log lại thời gian uptime downtime thành phần tính giá trị uptime chia cho tổng uptime downtime Uptime thời gian thành phần mạng hoạt động bình thường đo năm hoạt động Mức độ tin cậy cụm VNF tin cậy triển triển khai server data center tính tốn dựa cơng thức tính tốn độ tin cậy tài liệu tham khảo [3] mơ hình tốn tác giả: Ar 1 (1 An( nN s  (1 Af AdXna )  (1 Af AdALY s n ))) aNAr sNSr [3] Trong biến định có giá trị nhị phân biểu thị VNF active a , standby s có triển khai trung tâm cloud n hay không Giả sử hệ thống cloud phân tán bao N trung tâm cloud vị trí địa lý khác E tập đường mạng WAN kết nối trung tâm liệu Mỗi trung tâm liệu có tài ngun tính tốn tối đa CAn đường mạng có dung lượng băng thơng tối đa BWe Giả sử có tập yêu cầu triển khai cụm VNF tin cậy CR Mỗi yêu cầu triển khai cum r  CR bao gồm X na Yns NAr ,NS r VNF active VNF standby Bài toán đặt xác định vị trí triển khai cho tập yêu cầu hệ thống trung tâm cloud phân tán vị trí địa lý khác nhằm đảm bảo mức tin cậy thỏa mãn yêu cầu tài nguyên có trung tâm liệu, dung lượng tối đa đường truyền, thỏa mãn yêu cầu mức độ tin cậy cụm chức Các công thức đưa dựa theo mơ hình tốn tác giả Mục tiêu tối ưu hóa băng thông mạng: [4] Min  BCe eE Ràng buộc tài ngun tính tốn, ràng buộc đảm bảo tài ngun tính tốn u cầu VNF triển khai trung tâm liệu không vượt mức cho phép CCn   (  Xna RCa   Yns RCs )  CAn [5] rCR aNAr sNSr Rảng buộc tài nguyên băng thông, ràng buộc đảm bảo băng thông sử dụng để truyền liệu VNF không vượt băng thông cho phép rCR BCe   Z el RBl  BWe [6] lVLr Ràng buộc độ tin cậy yêu cầu triển khai cụm chức năng, ràng buộc đảm bảo giá trị độ tin cậy cụm VNF lớn giá trị cho phép [7] r  CR : Ar  Armin Ràng buộc số lượng VNF triển khai nhỏ số VNF yêu cầu triển khai: r CR,n N :  Xna   Yns  NAr  NSr [8] aNAr sNSr KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Để giải toán trên, thuật toán heuristic đề xuất Thuật toán heuristic tiến hành sau:  Đầu tiên xếp yêu cầu cụm VNF theo thứ tự giảm dần số lượng VNF cụm  Sắp sếp trung tâm cloud theo thứ tự giảm dần số lượng kết nối có băng thơng thỏa mãn yêu cầu băng thông cụm chức 132 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0  Thực việc triển khai VNF trung tâm cụm lên trung tâm cloud có số lượng kết nối thỏa mãn yêu cầu băng thông nhiều danh sách xếp Trong mơ hình cụm VNF active nhiều VNF standby VNF active coi VNF trung tâm VNF khác VNF biên  Thực thuật tốn tìm đường ngắn từ VNF trung tâm tới trung tâm cloud khác đồ hình mạng Lần lượt chọn trung tâm cloud có đường ngắn tới cloud chứa VNF trung tâm Kiểm tra điều kiện tài ngun băng thơng tài ngun tính tốn trung tâm cloud Lựa chọn trung tâm cloud thỏa mãn yêu cầu tài nguyên có mức độ tin cậy cao để triển khai VNF biên  Các bước lặp lại tất yêu cầu cụm VNF triển khai Ta so sánh thuật toán heuristic đề xuất (proposed heuristic) với thuật toán tham lam (greedy) [4] khác hay sử dụng để triển khai VNF tham lam tài nguyên mức độ tin cậy Các thuật toán triển khai VNF theo mức độ ưu tiên triển khai vào trung tâm cloud có tài nguyên tính tốn lớn (computing greedy) hay độ tin cậy cao (availability greedy) Thông số để đánh giá băng thông sử dụng mức độ tin cậy trung bình Đồ hình mạng sử dụng mạng Internet backbone USA có giá trị tài ngun tính tốn băng thông sau: BWe [3, 10] (Gbps), CAn [1000, 5000] đơn vị tham khảo tài liệu [3] Mức độ tin cậy An , Ad , A f , ALs khoảng [0.9, 0.99], Giá trị RC ,RB 10 đơn vị 10Mbps Số lượng VNF cụm lấy ngẫu nhiên khoảng [2, 5] Hình Mức độ tin cậy trung bình theo số lượng cụm yêu cầu Hình cho thấy giải pháp đề xuất tối ưu giải pháp khác mặt băng thông sử dụng Điều đến từ việc thuật toán đề xuất sử dụng phương pháp triển khai cụm VNF cho đường liên kết VNF cụm tối ưu Hình giải pháp đề xuất đạt mức tin cậy cao gần giải pháp tham lam mức độ tin cậy (availability greedy) trì mức độ sử dụng băng thơng tối ưu Cịn giải pháp tham làm tài ngun tính tốn (computing greedy) có độ tin cậy băng thơng số giải pháp so sánh KẾT LUẬN Theo kết thu ta thấy thuật toán heuristics đề xuất có mức sử dụng băng thơng tối ưu so với thuật giải tham lam thông thường trì độ tin cậy cao gần sử dụng thuật toán tham lam độ tin cậy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ETSI 2014 Network Function Virtualization ETSI GS NFV-SWA 001 [2] ETSI 2015 Resilliency Requirement ETSI NFV-REL 001 [3] S Yang, P Wieder 2017 “Reliable virtual machine placement and routing in clouds” IEEE Trans on Parallel Distributed System, Vol 28 (10) [4] M Mechtri, C Ghribi, and D Zeghlache, 2016 ‘‘VNF placement and chaining in distributed cloud,’’ in Proc IEEE 9th Int Conf Cloud Comput., pp 376–383 Hình Băng thơng sử dụng theo số lượng cụm yêu cầu 133 ... để triển khai VNF tham lam tài nguyên mức độ tin cậy Các thuật toán triển khai VNF theo mức độ ưu tiên triển khai vào trung tâm cloud có tài nguyên tính tốn lớn (computing greedy) hay độ tin cậy. .. triển khai cụm VNF cho đường liên kết VNF cụm tối ưu Hình giải pháp đề xuất đạt mức tin cậy cao gần giải pháp tham lam mức độ tin cậy (availability greedy) trì mức độ sử dụng băng thơng tối ưu. .. hoạt động bình thường đo năm hoạt động Mức độ tin cậy cụm VNF tin cậy triển triển khai server data center tính tốn dựa cơng thức tính tốn độ tin cậy tài liệu tham khảo [3] mơ hình tốn tác giả: